چکیده
در این تحقیق که در تصفیه خانه فاضلاب شمال اصفهان انجام گرفت، فرایند AB در مقیاس واحد نمونه مورد ارزیابی قرار گرفت و هدف اصلی آن تعیین کارایی این فرایند در تصفیۀ فاضلاب شهری و به تبع آن تعیین شرایط بهینه در حوض¬های هوادهی بود. مدت اجرای این تحقیق 144روز بود و در شرایطی که مقدار بارگذاری لجن (F/M) در مرحله A حداقل 2 و حداکثر 6 کیلوگرم 5BOD بر کیلوگرم MLSS بود ( که به وسیله تغییر در زمان های ماند هیدرولیکی و میزان MLSS به دست می¬آمد) مورد بهره برداری قرار گرفت. مقدار فاضلاب ورودی به پایلوت 6/3 مترمکعب در روز (5/2 لیتر در دقیقه) در نظر گرفته شد.
میانگین حذف بالاتر از 90 درصد 5BOD و SS و بالاتر از 82 درصد COD در شرایط بهینه بهره-برداری نشان داد که می¬توان به کیفیت مطلوب پساب خروجی در تصفیه فاضلاب شهری به روش AB دست یافت. میانگین حذف بالاتر از 48 درصد TKN نشان می¬دهد که شرایط مطلوب برای فرایند نیتریفیکاسیون فراهم می¬باشد. تغییرات در وضعیت های بهره برداری از فرایند AB نشان داد که در صورت عدم کنترل دقیق شرایط بهره¬برداری، این فرایند به مانند فرایندهای یک مرحله¬ای نسبت به پدیده حجیم شدن لجن حساس می¬باشد.
مقدمه
هم اکنون در تعدادی از شهرهای بزرگ کشورمان تصفیه¬خانه¬های فاضلاب به روش لجن فعال در حال کار می¬باشند و تا چند سال آینده نیز برای سایر نقاط کشور تصفیه¬خانه¬هایی از این نوع ساخته خواهد شد. با توجه به این که در کشور ما جمعیت شهرنشین از رشد بالایی برخوردار است، تصفیه¬خانه¬های موجود و آتی در سطح کشور قطعاً با مسأله افزایش جریان فاضلاب و میزان بار آلودگی وارد به آنها روبرو خواهند شد که
این مسأله باعث کاهش راندمان تصفیه و نیز بروز مشکلاتی در امر راهبری تصفیه¬خانه¬ها خواهد گردید. یکی از روش¬هایی که به کمک آنها می¬توان با اندک تغییراتی در سیستم موجود به راندمان تصفیه قابل توجه¬ای دست یافت، (ضمن این که در آن از تأسیسات موجود استفاده بهینه می¬شود)، فرایند لجن فعال دو مرحله ای موسوم به AB می¬باشد. همچنین این سیستم برای شهرهایی که فاقد تصفیه¬خانه¬ فاضلاب می¬باشند و گزینۀ فرایند لجن فعال برای آنها در نظر گرفته شده است، می¬تواند به کار رود. با توجه به مطالب فوق و با توجه به این که فرایند AB در کشورمان در قالب یک طرح تحقیقاتی مورد بررسی قرار نگرفته است، ارزیابی این فرایند در قالب ساخت واحدهای نمونه امری ضروری به نظر می¬رسد.
در اینجا لازم است شرح کلی از این فرایند داشته باشیم و سپس به روش تحقیق و نتایج حاصل از آن پرداخته شود.
جایگاه و مشخصات فرایند AB
به طور کلی تقسیم بندی فرایندهای لجن فعال می¬تواند بر اساس بارگذاری لجن، نوع جریان و نوع هوادهی باشد. اما آن چیزی که اساس طراحی واحدهای لجن فعال می¬باشد، مقدار بارگذاری لجن است. بارگذاری پارامتری است که میزان غذای در دسترس به ازای هر واحد جرم میکروارگانیسم ها را بیان می-کند. بنابراین نسبت غذا به میکروارگانیسم یا F/M نامیده می¬شود [1].
واحدهای لجن فعال براساس بارگذاری به سه دسته با بارگذاری متعارف، بارگذاری پایین و بارگذاری بالا تقسیم می¬شوند. تصفیه¬خانه¬های لجن فعال متعارف معمولاًً دارای نسبت F/M بین 2/0 تا 4/0 می¬باشند. مقادیر کمتر F/M معمولاًً در صورت نیاز به نیتریفیکاسیون مورد استفاده می¬گیرد و مقادیر بالاتر برای سیستم های با بارگذاری بالا استفاده می¬شود [2،1].
همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است، با افزایش بارگذاری لجن راندمان حذف مواد آلی کاهش می¬یابد. بنابراین سیستم های با بارگذاری بالا نمی¬توانند استانداردهای پساب خروجی از واحدهای تصفیه را تأمین کنند. بدین منظور این گونه فرایندها، به صورت ترکیب با فرایندهای دیگر مورد استفاده قرار می¬گیرند. شکل نشان می¬دهد که فرایند AB یکی از انواع فرایندهای ترکیبی می¬باشد [2،1].
AB مخفف جذب و اکسیداسیون بیولوژیکی می¬باشد. این سیستم شامل دو مرحله فرایند لجن فعال به صورت سری است (شکل 3) و صفت مشخصه آن نداشتن ته¬نشینی اولیه و مجزا بودن لجن مرحله اول از دوم است [2].
مشخصات کلی فرایند به شرح زیر است:
- بارگذاری حداکثر در مرحله A (بیش از 2 کیلوگرم 5BOD بر کیلوگرم MLSS ) و بارگذاری کم در مرحله B (3/0 کیلوگرم 5BOD بر کیلوگرم MLSS در روز)
- تولید لجن در مرحلهA زیاد است که دلیل عمده آن بالا بودن F/M می¬باشد.
- میکروارگانیسم ها در مرحله A در فاز رشد لگاریتمی قرار دارند.
- عمر لجن در مرحلهA پایین است و به زیر نیم روز می¬رسد. عمر لجندر مرحلهB بالا است.
- شاخص حجمی لجن (SVI) در مرحله A پایین است (ml/g60-40) و در مرحله B تقریباًً مشابه سیستم های یک مرحله¬ای است (ml/g 130-90) [3،2،1].
روش تحقیق
در این تحقیق که در تصفیه¬خانه شمال اصفهان انجام گرفته است، فرایند AB در مقیاس واحد نمونه مورد ارزیابی قرار گرفت که هدف اصلی آن بررسی کارایی این فرایند در تصفیه فاضلاب شهری و به تبع آن تعیین شرایط بهینه در حوض¬های هوادهی بود. این نمونه شامل حوض هوادهی مرحله A، تانک ته-نشینی میانی، حوض هوادهی مرحلهB ، تانک ته¬نشینی نهایی و متعلقات مربوطه می¬باشد (شکل 4). فاضلاب ورودی به پایلوت، فاضلابی است که به تصفیه¬خانه وارد شده و از واحدهای آشغال گیر و شن گیر عبور می¬کرد.
مقدار جریان فاضلاب ورودی 5/2 لیتر در دقیقه در نظر گرفته شد. حجم حوض هوادهی A، 100 لیتر می¬باشد که توسط کارگذاری 3 خروجی در ارتفاعات مختلف زمان های ماند هیدرولیکی 32،40 و 28 دقیقه در آن تأمین می¬گردید. عمر لجن در این حوض بین 6 تا 12 ساعت در نظر گرفته شد. زمان ماند در تانک ته¬نشینی میانی 5/1 ساعت و بار سطحی m/d18 بود. حجم حوض هوادهی مرحلهB ، 375 لیتر و عمر لجن آن 4 روز در نظر گرفته شد و بالاخره زمان ماند در تانک ته¬نشینی نهایی 2 ساعت و بار سطحی m/d18 بود. مدت اجرای این تحقیق مجموعاًً 144 روز بود که در 3 دورۀ زمانی براساس زمان های ماند هیدرولیکی 32،40و 28 دقیقه در حوض هوادهی A مورد بهره برداری قرار گرفت. پس از تشکیل لخته در حوض های هوادهی میزان MLSS، MLVSS ،SVI ، 5BOD،SCOD , COD (COD محلول) ، درجه حرارت ، TKN , pH و فسفر به صورت روزانه و هر دو روز یکبار اندازه گیری شد.
نتایج
ارزیابی مرحله A
جدول 1- متوسط راندمان حذف و کیفیت فاضلاب ورودی و پساب خروجی در مرحله A
مرحله اول مرحله دوم مرحله سوم
ورودی خروجی راندمان حذف ورودی خروجی راندمان حذف ورودی خروجی راندمان حذف
SS (mg/l) 263 4/94 1/64 8/282 2/101 2/64 4/290 175 7/39
COD(mg/l) 1/400 5/209 6/47 5/422 5/223 1/47 6/404 8/303 9/24
SCOD(mg/l) 3/192 8/128 33 4/199 4/134 6/32 2/185 8/152 4/17
(Mg/l) 5BOD 7/237 3/107 9/54 6/246 6/114 5/53 8/232 4/149 8/35
فسفر کل (mg/l) 5/11 9 7/21 3/12 9/8 2/27 6/11 11 6/4
TKN (mg/l) 4/62 9/52 2/15 5/58 1/49 16 4/63 2/63 9/1
1- حذف 5BOD با میانگین 55 درصد و نیز حذف COD محلول با میانگین 33 درصد در مرحله A نشان می¬دهد که فرایند فاضلاب بیولوژیکی در این مرحله صورت می¬گیرد (جدول 1).
2- حجم زیاد لجن مازاد، عمر لجن کمتر از نیم روز ، افزایش سریع MLSS و بالا بودن جامدات معلق خروجی نشان می¬دهد که میکروارگانیسم ها در فاز رشد لگاریتمی قرار دارند.
3- علیرغم وجود شرایط برای رشد معلق، مشاهدات میکروسکوپی و آزمایشات فیزیکی (ته¬نشینی نیم ساعته) نشان می¬دهد که لخته های تشکیل شده از این خصوصیت (رشد معلق) پیروی نکرده و دارای کیفیت مطلوبی از نظر ساختار لخته ای (اندازه، دانسیته و ...) می¬باشند. با این حال پساب خروجی دارای کدورت بالا است. شاید بهترین توجیه پدیده مزبور این باشد که هسته های تشکیل دهنده لخته¬ها جامدات قابل ته¬نشینی می¬باشند که به علت عدم وجود زلال ساز اولیه، از فاضلاب حذف نشده اند. میکروارگانیسم ها بر روی هسته های مزبور (که می¬تواند الیاف سلولزی و ...باشند) چسبیده و طی فرایند ته¬نشینی از پساب جدا می¬شوند.
4- علیرغم تغییرات زیاد در کیفیت شیمیایی و بیوشیمیایی فاضلاب ورودی، وجود راندمان حذف بالای 50 درصد 5BOD در مراحل اول و دوم بهره برداری می¬تواند دلیلی بر اثبات فرایند بیولوژیکی در این مرحله باشد (جدول 1).
5- تغییرات کیفیت پساب خروجی از مرحله A و ارتباط آن با MLSS نشان می¬دهد که کیفیت پساب خروجی در زمانی که MLSS در محدوده 3000 میلی گرم در لیتر قرار دارد، بهترین شرایط را دارا خواهد بود.
6- تغییرات زمان ماند هیدرولیکی در حوض هوادهی نشان می¬دهد که با کاهش زمان ماند (خصوصاًً در زیر 30 دقیقه) کیفیت پساب خروجی روند نزولی دارد. کاهش زمان ماند هیدرولیکی (HRT) به زیر 30 دقیقه در مرحله سوم بهره برداری از حوض هوادهی A باعث فرار لخته ها و به تبع آن کاهش MLSS در حوض هوادهی شد. در این حالت مقدار F/M بالاتر از 6 کیلوگرم 5BOD بر کیلوگرم MLSS در روز بود.
7- SVI پایین و مشاهده وضعیت ته¬نشینی نشان داد که بار سطحی انتخابی برای تانک ته نشینی میانی ، پایین می¬باشد و مقادیر بار سطحی بالاتر نیز می¬تواند در نظر گرفته شود.
ارزیابی مرحله B
جدول 2- متوسط راندمان حذف و کیفیت فاضلاب ورودی و پساب خروجی در مرحله B
مرحله اول مرحله دوم مرحله سوم
ورودی خروجی راندمان حذف ورودی خروجی راندمان حذف ورودی خروجی راندمان حذف
SS (mg/l) 4/94 8/19 9/78 2/101 8/23 4/76 175 2/104 4/40
COD(mg/l) 5/209 7/67 7/67 5/223 77 5/65 8/303 2/206 1/32
SCOD(mg/l) 8/128 1/48 6/62 4/134 7/54 3/59 8/152 4/114 1/25
(Mg/l) 5BOD 3/107 1/22 4/79 6/114 7/22 2/80 4/149 91 4/40
فسفر کل (mg/l) 9 8/7 4/12 9/8 3/7 9/17 11 3/11 0
TKN (mg/l) 9/53 8/28 4/45 1/49 1/30 7/38 3/62 2/56 7/9
1- کیفیت حذف در مرحله B تابعی از شرایط حذف مواد آلی در مرحله A می¬باشد. در مرحله سوم بهره برداری از حوض هوادهی A (جدول 1) که کیفیت پساب خروجی از آن بسیار پایین آمده بود، تأثیر مستقیم بر روی حوض هوادهی B گذاشت و موجب از بین رفتن شرایط مطلوب برای حوض هوادهی و نهایتاًً پایین آمدن کیفیت پساب خروجی از آن مرحله گردید. بنابراین مرحله B را نمی¬توان تابعی مستقل در فرایند تصفیه تلقی نمود. تأثیر مرحله A باعث می¬شود که علیرغم HRT نسبتاًً پایین تر در حوض هوادهی B (5/2 ساعت)،این حوض مانند سیستم های متعارف رفتار کند.
2- در شرایط مطلوب بهره برداری از مرحله A، در مرحله B راندمان حذف 5BOD در حدود 80 درصد ، COD در حدود 65 درصد و SCOD در حدود 60 درصد قابل دست¬یابی است(جدول 2).
3- کاهش TKN در مرحله B نشان می¬دهد که شرایط مطلوب برای فرایند نیتریفیکاسیون فراهم می-باشد. این در حالی است که عمر لجن در مرحله B بین 3 تا 4 روز است. توجیه علمی این امر آن است که حذف بخشی از BOD کربنه در مرحله A باعث می¬شود تا باکتری های نیتریفه (باکتری های عامل نیتریفکیاسیون) در مرحله B به صورت راحت¬تری اکسیژن محلول در اختیار داشته باشند.
4- وجود حجم نسبتاًً پایین لجن مازاد، عمر لجن بین 3 تا 4 روز، افزایش نسبتاًً بطئی MLSS در حوض هوادهی B ، پایین بودن جامدات معلق و کدروت پایین در پساب خروجی از مرحله B نشان می¬دهد که میکروارگانیسم ها در فاز کاهش رشد قرار گرفته¬اند.
5- در وضعیت های مطلوب بهره برداری از حوض هوادهی B، امکان رشد پروتوزئرهایی که در عمر لجن پایین تر از 3 تا 4 روز در سیستم های متداول دیده نمی¬شوند، قابل دسترسی است. علت این امر آن است که کیفیت پساب ورودی به حوض هوادهی B از نظر کنترل بار آلودگی و عدم وجود مواد سمی، امکان رشد برای این گونه میکروارگانیسم ها را فراهم می¬کند.
6- تغییرات کیفیت پساب خروجی از مرحله B و ارتباط آن با میزان MLSS موجود در حوض هوادهی B نشان می¬دهد که کیفیت مطلوب پساب خروجی در زمانی که MLSS در محدوده 2500 تا 3000 میلی گرم در لیتر می¬باشد قابل دسترسی است.
7- در انتهای مراحل اول و دوم بهره برداری از حوض هوادهی مرحله B مشکل حجیم شدن لجن (بالکینگ) به وجود آمد که فاکتور مؤثر در این مسئله افزایش MLSS و به پیروی از آن کاهش F/M و نیز کاهش اکسیژن محلول می¬باشد. بنابراین کنترل MLSS در یک محدوده معین امری ضروری است. از طرف دیگر برای هر مرحله بهره برداری از حوض هوادهی مرحله A سعی شد که زمان ماند هیدرولیکی (HRT) ثابت بماند و به مرور زمان که MLSS در حوض افزایش یافت، 5BOD خروجی از مرحله A کاهش می¬یابد. بنابراین نسبت F/M تحت تأثیر این مسئله نیز کاهش می¬یافت.
ارزیابی فرایند AB در مراحل مختلف بهره برداری از پایلوت AB نشان داد که:
جدول 3- متوسط راندمان حذف و کیفیت فاضلاب ورودی و پساب خروجی در فرایند AB
مرحله اول مرحله دوم مرحله سوم
ورودی خروجی راندمان حذف ورودی خروجی راندمان حذف ورودی خروجی راندمان حذف
SS (mg/l) 263 8/19 5/92 8/282 8/23 6/91 4/290 2/104 1/64
COD(mg/l) 1/400 7/67 83 5/422 77 8/81 6/404 2/206 49
SCOD(mg/l) 3/192 1/48 75 4/199 7/54 6/72 2/185 4/114 2/38
(Mg/l) 5BOD 7/237 1/22 6/90 6/246 7/22 8/90 8/232 91 9/60
فسفر کل (mg/l) 5/11 8/7 2/32 3/12 3/7 7/40 6/11 3/11 6/2
TKN (mg/l) 4/62 8/28 8/53 5/58 1/30 5/48 4/63 2/56 4/11
1- کیفیت پساب خروجی با توجه به وضعیت های مناسب بهره برداری (در مراحل اول و دوم) از شرایط مطلوبی برخوردار بود (جدول 3). بنابراین فرایند AB در تصفیه فاضلاب شهری قابل اجرا می¬باشد.
2- بررسی¬ها و نتایج به دست آمده نشان داد که جهت دست¬یابی به وضعیت مطلوبی از تصفیه می¬بایست شرایط خاصی بر فرایند حاکم باشد (در مرحله A می¬بایست زمان ماند هیدرولیکی ، نسبت F/M، میزان MLSS و اکسیژن محلول در محدوده معینی قرار گیرد).
- به دلیل آن که کیفیت پساب خروجی از مرحله A تأثیر مستقیم بر روی مرحله B
می¬گذاشت، مرحله B را می¬توان تابعی از مرحله A دانست. در وضعیت هایی که پارامترهای ذکر شده در مرحله A در محدوده معینی قرار داشت، کنترل شرایط فرایند در مرحله B آسان¬تر و کیفیت پساب خروجی بهتر بود.
3- وضعیت های بهره برداری از فرایند AB نشان داد که در صورت عدم کنترل دقیق شرایط بهره برداری، این فرایند مانند فرایندهای یک مرحله¬ای نسبت به پدیده حجیم شدن لجن (بالکینگ) حساس می¬باشد.
با تشکر و قدردانی از:
* شورای تحقیقات و بهبود بهره¬وری شرکت آب و فاضلاب استان اصفهان به خاطر حمایت مستقیم از طرح تحقیقاتی ارائه شده.
* جناب آقای مهندس محمد کرباسی معاونت محترم مهندسی و توسعه شرکت آب و فاضلاب استان اصفهان به خاطر مساعدت ایشان در طول مدت انجام طرح تحقیقاتی فوق¬الذکر.
منابع و مراجع
1- Imhof, S., K., (1989). "Handbook of Drainage and Wastewater Disposal" , John Wiley & Sons.
2- Botoho – Bohnke, E.H.C. (1992). "Das AB – Verfahren Zur Blologischen Abwasserr", - Ringung, Aachen.
3-Hanel, K. (1988). "Biological Treatment of Sewage by the Activated Sludge Process", Eliss Horwood Limited.
